Лекция 4 Железоуглеродистые сплавы План лекции 4 1

Лекция 4 Железоуглеродистые сплавы План лекции 4. 1. Диаграмма состояния железо-углерод. 4. 2. Железоуглеродистые сплавы и их классификация. 4. 3. Основные понятия и определения. 4. 4. Обозначение (маркировка) сталей и чугунов. 4. 5. Влияние легирующих элементов на свойства стали.

4. 1. Диаграмма состояний железо-углерод • Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение фазового состояния сплавов в зависимости от температуры и концентрации в условиях равновесия.

4. 1. Основные компоненты диаграммы состояний железо-углерод Железоуглеродистые сплавы – стали (2, 14% С) и чугуны (2, 14 -6, 67%С). Основные компоненты – железо, углерод и соединения железа с углеродом. Железо – это серебристый металл, плотность 7, 86 ³ г/см, температура плавления 1539°С. Технически чистое железо содержит 99, 85% железа и 0, 15 -0, 2% примесей (армако-железо, производится для электротехнических целей). Прочность чистого железа составляет 25 кг/мм², пластичность порядка 50%. Углерод- неметалл (элемент II периода четвертой группы), атомный номер 6, плотность порядка 2, 5 г/см³, атомная масса 12, 011, температура плавления 3500°С. Углерод полиморфен, растворим в железе в жидком и твердом состоянии, а также с железом образует химическое соединение Fe 3 C, цементит (карбид железа); в высокоуглеродистых сплавах может быть в виде графита. Цементит – температура плавления 1300 -1600 °С (в зависимости от присутствия примесей тугоплавких металлов: хром, молибден. )

4. 1. Диаграмма состояний “железо-углерод”. 4. 1. 1. Система. Компоненты , фазы и структурные составляющие Ж-У сплавов. (Carboneum), С, Металл, неметалл, 0, 1% в Железо Компоненты Углерод 4 -аллотрропические формы. земной коре, о о аллотропические Феррит Твердый раствор С в Fe: Содержит при Т С=723 0, 02%С; 20 о- 0, 006%С. Твердость 80… 100 HB. видоизменения: алмаз, графит, и Твердый раствор С в Fe: Содержит при То. С= Аустенит аморфный уголь, 1130 о – 2%С; 723 о – 0, 8%С. Твердость 195 НВ. Ф который используют Химическое соединение Fe 3 C- карбид железа: А для выплавки Цементит о. С. 6, 67%С. 800 HB. Магнитен до 210 З чугуна в виде кокса. Ы Структур. Эвтектоид. Содержит 0, 8% С. Мех. Смесь П и Ц Перлит ная образующаяся из тв. раствора. Тв. 180… 200 НВ Механические составля. Эвтектика (из жидкости) - мех. смесь. Содержит смеси ющая Ледебурит 4, 3% С. Аустенит и цементит перлит и +723 Графит цементит. Твердость 530… 550 НВ Тпл=15390 С,

3, 4 kx 1. 42 kx Графит Алмаз Углерод

4. 1. Диаграмма состояния железо- углерод Знание диаграммы железо-углерод необходимо для понимания сущности всех превращений, происходящих в ЖУС при нагреве и охлаждении 1. Превращение из жидкого состояния в твердое (первичная кристаллизация) происходит по линии АСД – линии ликвидуса. 2. Линия АЕСF – линия солидуса. Форма линий показывает, что это диаграмма представлена сочетанием диаграмм типа II (от т. A до т. Е) и типа I (от т. Е до т. F). 3. По линии АС из жидкого расплава начинают выпадать кристаллы твердого раствора углерода в γ-Fe, называемого аустенитом (по имени У Робертса-Аустена – английского металлурга) 4. По линии СД из жидкого расплава выпадают кристаллы цементит а 5. В точке С при содержании 4, 3% С и температуре 1130°С происходит одновременно кристаллизация аустенита и цементита, образуется их механическая смесь – эвтектика - ледебурит (А. Ледебур –немецкий металлург)

4. 1. Диаграмма состояний “ЖЕЛЕЗО -УГЛЕРОД” T 1 T 2 T 3 a b Qжс Qтс А Ф фп П пц г Л = Т 2 b Т 2 а

4. 1. Диаграмма состояния железо-углерод Превращения в твердом состоянии (вторичная кристаллизация) – происходит при температуре выше 723°С. Линии GSE, PSK и GPQ показывают, что в сплавах системы в твердом состоянии происходят изменения структуры – вследствие перехода железа из одной модификации в другую и в связи с изменением растворимости углерода в железе. При охлаждении сплавов аустенит распадается с выделением по линии GS феррита – твердого раствора углерода в α-Fe, а по линии SE – вторичного цементита. В точке S при содержании 0, 8%С и при 723°С весь аустенит распадается и одновременно кристаллизуется механическая смесь феррита и цементита – эвтектоид (перлит). Железоуглеродистые сплавы – стали (2, 14% С) и чугуны (2, 14 -6, 67%С). Сталь, содержащая 0, 8% С, называется эвтектоидной, менее 0. 8% - доэвтектоидной, о т 0, 8 до 2, 14%С - заэвтектоидной

4. 1. 1. Фотографии фазовых и структурных составляющих ЖУС Феррит

Аустенит (х100; х500/ ВТх100; КТх500) д Вакуум травление При комнатной температуре

Цементит д ч

Перлит х450 х800 д Перлит зернистый Сталь с 1, 2% С Нагрев 900 о. С х800 Изотермич. распад А 710 о 670 о

4. 1. 2. Количественный анализ доэвтектоидных сталей по их микроструктуре. Если на микрорструктуре образца участки перлита занимают примерно 40% всей площади, то содержание углерода в стали может быть определено из пропорции : 100%перлита – 0, 8%С, 40% перлит – х %С, откуда %С х = 40· 0, 8/100 = 0, 32%С д

4. 2 Железоуглеродистые сплавы и их классификация. СТАЛИ Железоуглеродистые сплавы ЧУГУНЫ Классы Конструкционные углеродистые и легированные Обыкновенного качества Легированные для деталей машин Низколегированные Инструментальные Автоматные Для подшипников качения Рессорно-пружинные Литейные Строительные Стали и сплавы с особыми свойствами Двухслойные Жаропрочные Жаростойкие Теплоустойчивые Коррозионно-стойкие Магнитные Fe-Si-C Белые (С Ц) Б Чугуны с графитом (С Г) 2 вида С Серые литейные Ковкие Для электронагревательных элементов Для приборостроения Стали и сплавы с высоким электросопротивлением и постоянным коэффициентом теплового расширения, а также жаропрочные стали на железоникелевой и никелевой основе

4. 2. 1. Обозначение чугунов Чугун 100 марок Классы БЕЛЫЕ Основные типы Серый чугун (СЧ). (СЧ 25 Число предел прочности при растяжении (ППР) кгс/мм 2. : ) Чугун с вермикулярным (червеобразным) графитом (ЧВГ). Ковкий чугун (КЧ). (КЧ 30 -6 Числа: Первое – ППР= в, второе –отн. удл. = %; ) Получают из белого чугуна отжигом (900… 9500 С прод. 60… 80 час. ). Высокопрочный чугун с шаровидным графитом (ВЧШГ). (ВЧ 60 -2 Как ковк. Ч. ; ). Модификация Mg и Si. Антифрикционные (АЧС, с пластинчатым Гр. ; АЧК, с компактным Гр. ; АЧВ, с высокопрочным Гр. ; АЧС-5; АЧК-2; АЧВ-1 ) Серые По назначению Укрупненные группы СЧ - машиностроительные ВЧШГ – повышенная прочность и вязкость С поверхностной твердостью – отбеленный чугун или с поверхностной закалкой. Со специальными свойствами – легированные чугуны По химическому составу Нелегированные Легированные

Ледебурит ч д

*10 0 *500 *100 Хлопьевидн. Графит Шаровидн. Пласт. д Чугун Перлит Феррит *250 *400 Ч Междендритный графит

Твердый раствор Cu-Al Твердый раствор. Cu-Zn Твердый раствор. Cu-Ni Структура- форма, характер и взаимного расположения фаз в сплаве Сплав Pb – Sb

4. 3. Основные понятия и определения Заполнить самостоятельно!

4. 4. Обозначение сталей и чугунов. 4 Х 8 В 2 A (0, 35… 0, 45%С; 7, 0. . 9, 0%Cr; 2, 0… 3, 0 W) Обыкновенного качества: 3 группы: А(м. с), Б(х. с. ) и В(м. с. +доп. х. с. ). Ммартеновская (К-конв. )”кп”, ”пс”, ”сп”. Обозначение напр. : МСт. 2 кп; ВКСт. 3 Легированные для деталей машин. Обозначение по буквенно-цифровой системе: цифры – содержание углерода и легирующих элементов, буквы –обозначение легирующих элем. Первые две цифры – С в 0, 00%, цифры после букв ср. % легирующ. элемент, если его до 1%, то цифра не ставится. В конце буквы: А-S и P 0, 025% каждого, ЭШ – эл. шлаковый переплав и др. Магнитные начинаются с Е, нержавеющие: Х– ЭЖ, а Х-Н – ЭЯ. Автоматные начинаются - А Инструментальные: углеродистые – 0, 7… 1, 3%С(начинаются с У), легированные, быстрорежущие – Р (rapide) Для подшипников качения - Ш Литейные - Л

Обыкновенного качества: 3 группы: Инструментальные: углеродис- Для подшипни. А(м. с), Б(х. с. ) и В(м. с. +доп. х. с. ). М- тые– 0, 7… 1, 3%С(начинаются с У), ков качения - Ш мартеновская (К-конв. )”кп”, ”пс”, ”сп”. легированные, быстрорежущие– Литейные - Л Р (rapide) Обозначение напр. : МСт. 2 кп; ВКСт. 3 2. 3. Обозначение сталей и чугунов Легированные для деталей машин. Обозначение по буквенно-цифровой системе: цифры – содержание углерода и легирующих элементов, буквы –обозначение легирующих элем. Первые две цифры – С в 0, 00%, цифры после букв ср. % легирующего элемента, если его до 1%, то цифра не ставится. В конце буквы: А-(S и P) 0, 025% каждого, ЭШ – эл. шлаковый переплав и др. Магнитные начинаются с Е, нержавеющие: Х– ЭЖ, а 4 Х 8 В 2 A (0, 35… 0, 45%С; 7, 0. . 9, 0%Cr; 2, 0… 3, 0%W) Автоматные начинаются - А

4. 5. Влияние легирующих элементов на структуру и свойства сталей Сталь является многокомпонентным сплавом, содержащим углерод и ряд постоянных или неизбежных примесей: Mn, Si, S, P, О, N, Н и др. , которые оказывают влияние на её свойства. Присутствие этих примесей объясняется трудностью удаления части из них при выплавке (Р, S), переходом в сталь в процессе ее раскисления (Mn, Si) или из шихты – легированного металлолома - (Сr, Ni и др). 4. 5. 1. Понятие о легированной стали ЛЭ ЛС Содержит кроме Fe и С специально введенные химические элементы (легирующие ЛЭ) и Si и Мn больше, чем в углеродистых сталях Взаимодействие с Fe и С и изменение свойств в необходимых направлениях Твердость, вязкость, жаропрочность, износостойкость, коррозионную стойкость, магнитные свойства, жаростойкость и жаропрочность, хладостойкость и др.

4. 5. 2 Распределение легирующих элементов в стали зависит от их свойств в соответствии сих положением в периодической системе (таблице) элементов Д. И. МЕНДЕЛЕЕВА. Растворяются в Fe и Fe 3 C почти все элементы Образуют самостоятельные карбиды левее Fe Ti, Nb, V, W, Mo, Cr, Взаимодействие Mn, и др. Образ. Фазы внедрения Ме. С (чаще), Ме 2 С ЛЭ Карбиды не образуют правее Fe Ni, Co, Si, Cu и др. с Fe и С Не растворяются в Fe далеко от Fe О, В, S. Химические соединения с Fe большинство ЛЭ при большом сод. Не растворяются в Fe и не образуют химсоединения с Pb, Ag. Образуют оксиды Mn, Si, Al, Ni, Ti, V и др. при раскислении.

4. 5. 3. Влияние основных легирующих элементов на структуру и свойства сталей • • • Хром - повышает твердость и прочность, сохраняет вязкость, увеличивает сопротивляемость стали коррозии. Никель – повышает прочность, ударную вязкость, коррозионную стойкость, прокаливаемость стали. Вольфрам – образует очень твердые карбиды, резко увеличивает твердость и красностойкость стали. Ванадий - увеличивает плотность стали, измельчает зерно и повышает твердость и прочностью. Кобальт - увеличивает ударную вязкость, жаропрочность и магнитные свойства стали. Молибден – повышает упругость, прочность, красностойкость, коррозионную стойкость и окалийностойкость стали. Медь – усиливает антикоррозионные свойства стали. Титан – увеличивает прочность стали, повышает обрабатываемость и сопротивление стали. Ниобий – повышает сопротивление коррозии. Алюминий – повышает жаростойкость (совместно с кремнием улучшает коррозионную стойкость) Цирконий - позволяет получать мелкозернистую сталь.

4. 5. 4. Влияние ЛЭ на свойства Fe (феррита и аустенита) к к. Гм см 2

4. 5. 4. Влияние ЛЭ на свойства Fe (феррита и аустенита) • Как видно из рисунка, легирующие элементы, растворенные в феррите, повышают его предел прочности, за исключением марганца и кремния при содержании их больше 2, 5 -3, 0%. Наиболее сильно упрочняют феррит кремний. , марганец и никель. Остальные элементы сравнительно мало изменяют прочность феррита. • Легирующие элементы при введении их в сталь в количестве 1 -2% снижают ударную вязкость и повышают порог хладоломкости. Исключение составляют никель, который упрочняет феррит при одновременном увеличении его ударной вязкости и понижением порога хладоломкости.

4. 5. 5. Растворение легирующих элементов в стали Близкие к Fe в табл. Менделеева ЛЭ Кристаллич. решетка ЛЭ подобна Fe атом ЛЭ атом Fe Твердые растворы замещения (ТРЗ) Раство атом ЛЭ - атом Fe РА римость Количество ЛЭ ЛЭ зависит Валентность от Крист. реш. ЛЭ одинакова Fe неограниченная растворимость РА 8% Ограниченная растворимость 8% РА 15% Не образуют растворов и не смешиваются (расплав) РА 20% Растворимость в Fe и Fe Ограниченная (ТРЗ) Cr, Mn, V, Si, Mo, W, Ni, Nb, Al, Zr. Полная с Fe Ni, Co. Хорошо растворяются в А Ni, Mr, Cr и др. Растворы внедрения атом ЛЭ меньше 63% атом Fe B, C, N, O, H. Искажение решетки изменение свойств

4. 5. 6. Влияние ЛЭ на полиморфизм Fe , Fe и положение критических точек Две группы ЛЭ 1. Расширяют область существования А (А 4 , А 3 ) до комнатной t 0 C Ni, Mn, C, N, Cu. Co А 3 2. Сужают область существования А (А 4 , А 3 ) Zn, Be, Al, Si, Ti, V, Mo, W Аустенитные стали (нержавеющие, жаропрочные, немагнитные) Ферритные стали (нержавеющие , трансформаторные, динамные) 4. 5. 7. Взаимодействие ЛЭ с С Карбиды достаточно С Карбидообразующие элементы (КОЭ) левее С: Ti, V, W, Mo, Cr, Mn, Fe активность. Карбиды ЛЭ имеют: твердость > Ц, хрупкость < Ц Карбиды 1 -й группы Твердые растворы недостаточно С Много КОЭ растворяются в Fe 3 C образуют спецкарбиды (Fe. Cr)3 C; (Fe. W)3 C Растворяют Fe Cr 7 C 3 до 60% (Cr, Fe)7 C 3 Карбиды 2 -й группы WC, W 2 C, Mo 2 C, VC, Ti. C

4. 5. 8. Влияние ЛЭ на превращения А и прокаливаемость. Сдвигают S-образные кривые вправо устойчивый А Некоторые изменяют форму. S-образных кривых Снижение влияния ЛЭ на эти процессы: Mo, Mn, Cr, Ni, W, Cu, Si, Al ЛЭ Снижают Мн и М к (исключение Со) Увеличивают прокаливаемость Снижают рост зерна (исключение Мn) (по уменьшению влияния: Cr, W, Mo, V, Nb, Ti) Иногда увеличивают твердость при высоком отпуске (Mo, Mn) КОЭ должны быть растворены в А

Задание на дом Вопросы для размышления 1. Назовите структурные отличия сплавов типа техническое чистое железо, сталь, чугун. Укажите процентное содержание углерода в этих сплавах. 2. Назовите самую пластичную и самую прочную, твердую структуру ЖУС. 3. Какую структуру имеют ЖУС при комнатной температуре? 4. Из приведенных ниже обозначений ЖУС, определите, какие относятся к сталям, а какие к чугунам: АЧС-2; 35 ХГСА; Ст45; ВЧ 120 -4; Р 6 М 5; У 12; БСт2; Р 12 Ф 2 К 8 М 3; СЧ-15; 65 ГА; У 7 А; Ст08 кп; ЧН 15 Д 3 ХШ. 5. Перечислите не менее десяти наименований применения в быту изделий из ЖУС. 6. Заполните пробел п. 4. 3. лекции «Основные понятия и определения» .